DE3536144A1 - Verfahren zur ultraschallkontrolle bei der steinzertruemmerung und anordnung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ultraschall­ kontrolle bei der Zertrümmerung von Steinen in Körpern von Lebewesen, wobei zur Ultraschallbeobachtung periodisch eine Ultraschallwandleranordnung in einer Sendephase elektrische Energie in akustische Energie und in einer Empfangsphase akustische Echosignale in elektrische Signale umsetzt sowie eine Anordnung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Eine solche Anordnung ist im wesentlichen aus "Röntgenstrahlen" Heft 49, 1983, Seiten 4 bis 9 bekannt. Allerdings erfolgt dort die Kontrolle der Steinzer­ trümmerung sowie die vorangehende Ortung des Steines mit Hilfe einer Anordnung aus zwei Röntgenstrahlern und zwei Bildverstärkern, jedoch ist auch die Ultraschallortung erwähnt worden, wobei jedoch angegeben ist, daß mit Hilfe von Ultraschall eine Kontrolle des Behandlungserfolges nicht möglich ist, weil im Ultraschallbild eine Differen­ zierung zwischen dem zertrümmerten Stein und einem nicht zertrümmerten Stein nicht möglich ist. Diese Fest­ stellungen beziehen sich zwar nur auf Nierensteine, doch gelten sie in gleicher Weise auch für Gallensteine. Ein Gallenstein liefert im Ultraschallbild ein Echo, das sich kaum von dem Echo von Gesteinstrümmern am Boden der Gallenblase unterscheidet.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß eine Differenzierung zwischen einem kompakten Gallenstein und Gallengesteinstrümmern in der Gallenblase mit Hilfe von Ultraschall möglich wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß vor der Ultraschallbeobachtung die Ultraschallwandleranordnung während eines im Vergleich zur Sendephase großen Zeitraums mit einer im Vergleich zur elektrischen Leistung während der Sendephase hohen elektrischen Leistung beaufschlagt wird.

Wenn die Ultraschallwandleranordnung während eines relativ langen Zeitraums mit einer relativ hohen elektrischen Leistung beaufschlagt wird, erzeugt er aufgrund des Schallstrahlungsdruckes einen mechanischen Impuls, der ausreicht, um den Gallenstein oder die Gallensteinstrümmer in der Gallenblase aufzuwirbeln. Nach diesem Aufwirbeln können Gallensteine und Gallensteinstrümmer deutlich voneinander unterschieden werden, weil sie aufgrund ihres spezifischen Gewichtes und der Viskosität der Gallen­ flüssigkeit abhängig von ihrer Größe mehr oder weniger schnell auf den Fundus der Gallenblase absinken. Bei der Ultraschallbeobachtung dieses Vorganges kann sowohl aus der Größe der Echos der Auslöschungsschatten als auch der Zeit zum Absetzen auf die Größe der in der Gallenblase enthaltenen Steine bzw. Steintrümmer geschlossen werden. Um einen Gallenstein aufwirbeln zu können, sollte während einer Zeit zwischen 5 ms und 250 ms eine akustische Leistung von wenigstens 30 W (bei einem Steingewicht von 1 g) auf ihn einwirken.

Bei der Erfindung hat die Ultraschallwandleranordnung eine dreifache Funktion:

Vor der eigentlichen Ultraschalluntersuchung wirbelt sie die Steine bzw. die Gesteinstrümmer hoch, während der Ultraschalluntersuchung liefert er die Sendeimpulse und setzt die akustischen Echosignale in elektrische Signale um, die zu einer bildlichen Darstellung der aufgewirbelten Gesteinstrümmer dienen.

Die Anordnung zur Durchführung des Verfahrens, die von einer mit einer Flüssigkeit gefüllten Wanne zur Aufnahme des Körpers, einer Einrichtung zum Erzeugen von Stoß­ wellen, einer Einrichtung zur Fokussierung der Stoßwellen­ energie auf einen Punkt in der Wanne und mit einer Ultra­ schallwandleranordnung ausgeht, zeichnet sich dadurch aus, daß eine Umschaltvorrichtung vorgesehen ist, durch die die Ultraschallwandleranordnung in einer ersten Betriebsart mit einer großen elektrischen Leistung während eines relativ großen Zeitraums beaufschlagt ist und in einer zweiten Betriebsart als Sende- und Empfangswandler eines Ultraschalluntersuchungsgerätes betreibbar ist.

Eine Weiterbildung, die davon ausgeht, daß die Einrichtung zur Fokussierung der Stoßwellen ein Rotationsellipsoid mit zwei Brennpunkten umfaßt, wobei die Stoßwelle in dem einen Brennpunkt erzeugt und auf den anderen Brennpunkt fokussiert wird, sieht vor, daß die Ultraschallwandler­ anordnung auf der Verbindungslinie der beiden Brennpunkte angeordnet ist. Diese Weiterbildung ist insofern günstig, als die Ultraschallenergie aus der gleichen Richtung in den Körper eindringt wie die Energie der Stoßwelle.

In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, daß ein Antrieb zur Verschiebung der Ultraschallwandleranordnung senkrecht zur Verbindungslinie der Brennpunkte angeordnet ist. Hier­ durch kann gegebenenfalls vermieden werden, daß die Ultraschallwandleranordnung einen größeren Teil der Ellipsoidapertur abdeckt und damit die Stoßwellen auf dem Wege zum Fokussierungspunkt dämpft.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Ultraschallwandleranordnung einen einzigen Schallschwinger umfaßt. Grundsätzlich könnte die Ultraschallwandleranordnung auch eine Vielzahl von Ultra­ schallschwingern (array) umfassen, die die Signale mit geeigneter elektronisch steuerbarer Phasenverschiebung aussenden bzw. verarbeiten. Da im vorliegenden Fall sich der Gallenstein bzw. die Gallensteinstrümmer im defi­ nierten Abstand von der Ultraschallwandleranordnung befinden, ist eine elektronische Fokussierung nicht erforderlich. Es kann vielmehr mit einer festen durch den Aufbau des Ultraschallschwingers vorgegebenen Fokus­ einstellung gearbeitet werden. Ein einzelner Ultraschall­ schwinger kann relativ einfach so ausgelegt werden, daß er die erforderlichen Schallintensitäten erzeugen kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt einen menschlichen Körper 1 im Querschnitt, der sich in einer mit einer Flüssigkeit 2, z.B. Wasser, gefüllten Wanne 3 befindet. Die Gallenblase ist mit 3 bezeichnet und ein darin befindlicher Stein mit 4. In der Mitte des Bodens der Wanne befindet sich eine rotationsellipsoidförmige Vertiefung 5, in deren einen Brennpunkt eine Funkenstrecke angeordnet ist, die Stoßwellen erzeugen kann, die im anderen Brennpunkt des Rotationsellipsoids fokussiert werden. Zwischen den beiden Brennpunkten, d.h. auf der Symmetrieachse des Rotations­ ellipsoids, befindet sich ein Ultraschallschwinger 6 mit einer Resonanzfrequenz von z.B. 3 MHz. Er ist auf den Brennpunkt fokussiert in dem die durch die Funkenstrecke 7 erzeugten Schockwellen zusammenlaufen. In diesem Brenn­ punkt befindet sich bei der Erzeugung der Schockwellen bzw. der Ultraschalluntersuchung der Gallenstein 4 bzw. der tiefste Punkt der Gallenblase 3.

Der Ultraschallschwinger 6 ist an einer horizontal, d.h. senkrecht zur Verbindungslinie der Brennpunkte, ver­ laufenden Welle 8 befestigt. Auf diese Welle wirkt ein Antrieb 9 ein, dem über eine Leitung 10 und eine Umschalt­ vorrichtung 11 entweder ein dreieckförmiges Steuersignal oder eine konstante Spannung UP - gegebenenfalls auch Massepotential - zugeführt wird. Wenn der Antrieb 9 mit dem dreieckförmigen Steuersignal beaufschlagt wird, führt der Ultraschallschwinger eine mit einer Periode von z.B. 100 ms hin und hergehende Winkelbewegung aus, die einen bestimmten zur Zeichenebene senkrechten und durch den zweiten Brennpunkt des Ellipsoids 5 verlaufenden Sektor bestreicht, so daß in dieser Richtung Ultraschall emittiert oder empfangen werden kann.

Der Ultraschallschwinger 6 ist über eine Leitung 12 mit einem weiteren Umschalter 13 verbunden, an den einerseits die Komponenten eines konventionellen Ultraschallunter­ suchungsgerätes (Sender, Empfänger, Scanconverter, Monitor) für die Realzeit-Sektorbilddarstellung enthalten ist und andererseits der Ausgang eines Leistungsver­ stärkers 15 mit regelbarer Verstärkung. Der Eingang des Verstärkers 15 ist über einen Modulator 16 mit einem Hoch­ frequenzerzeuger 17 verbunden. Der Hochfrequenzerzeuger 17 liefert eine Spannung mit einer Frequenz von 3 MHz, d.h. mit der Resonanzfrequenz des Ultraschallschwingers 6. Der Modulator 16 wird von einemImpulserzeuger 18 gesteuert, der Impulse mit einer zwischen 5 ms und 250 ms einstell­ baren Impulsdauer liefert. Die Impulsdauer soll nicht zu kurz oder zu lang sein. Bei sehr kurzen Impulsen ist eine hohe Leistung erforderlich und bei sehr langen, relativ leistungsschwachen Impulsen geraten die Gallensteine nur ins Schweben und werden nicht hochgewirbelt. Nur wenn ein solcher Impuls geliefert wird, erzeugt der Modulator 16 ein Ausgangssignal mit der Frequenz der vom Generator 17 erzeugten Schwingung; liefert der Impulserzeuger keinen Impuls, ist das Ausgangssignal des Modulators 16 Null. Eine Steuereinrichtung 19 schaltet bei Betätigung eines Schalters 20 durch den Benutzer die Umschaltvorrich­ tungen 11, 13 kurzzeitig aus der dargestellten Schalt­ stellung in die nicht dargestellte Schaltstellung und aktiviert den Impulserzeuger, z.B. einen monostabilen Multivibrator, so daß dieser einen einzigen Impuls erzeugt.

Die Anordnung wird auf folgende Weise betrieben:
Vor der Stoßwellenerzeugung wird zunächst eine Ultra­ schallbeobachtung durchgeführt, bei der der Gallenstein lokalisiert wird. Der Körper wird dann mittels einer nicht näher dargestellten Hebevorrichtung in der Wanne so posi­ tioniert, daß der Gallenstein 4 am Fundus der Gallenblase sich am Ort des zweiten Brennflecks befindet, was im Ultraschallbild daran zu erkennen ist, daß das Bild des Gallensteins sich an einer bestimmten Stelle des Bild­ schirms der Wiedergabeeinrichtung des Untersuchungs­ gerätes 14 befindet. Bei der Ultraschalluntersuchung befinden sich die Umschaltvorrichtungen 11 und 13 in der in der Zeichnung dargestellten Schaltstellung. Dem Motor­ antrieb 9 wird dann das dreieckförmige Signal zugeführt, so daß er eine periodische hin und hergehende Winkel­ bewegung ausführt, wobei während jeder Periode von etwa 100 ms der Ultraschallschwinger 6 mit konstanter Impuls­ wiederholungsfrequenz 256 mal in der Sendephase kurz (z.B. 1 µs) angeregt wird, während in der Zeit zwischen zwei Sendeimpulsen die Ultraschallechos in elektrische Signale umgesetzt werden, die in dem Scanconverter digital gespeichert und auf einem Monitor in ein sichtbares Ultra­ schallsektorbild umgesetzt werden.

Wenn auf diese Weise der Gallenstein und der Ultraschall­ beobachtung in den zweiten Brennpunkt des Rotations­ ellipsoids gerückt ist, wird die Funkenstrecke ein oder mehrmals gezündet. Die dabei gegebenenfalls erzeugten Steintrümmer setzen sich im Fundus der Gallenblase 3 ab, d.h. an der gleichen Stelle, an der sich vorher der kompakte Gallenstein befand.

Um die Zertrümmerung des Steins kontrollieren zu können, wird der Tastschalter 20 betätigt, wodurch einerseits die Schaltung 18 zur Impulserzeugung aktiviert wird und andererseits die Umschaltvorrichtung für einen Zeitraum, der kurz nach dem Ende des Impulses endet, in die nicht dargestellte Schaltstellung umgeschaltet werden. In dieser Stellung der Schaltvorrichtung 11 nimmt der Ultraschall­ schwinger eine definierte Winkelstellung im Raum ein, und zwar die, in welcher ein von ihm erzeugter Ultraschall­ strahl den Gallenstein 4 durchsetzt. Die dem Ultraschall­ schwinger 6 in dieser Stellung der Umschaltvorrichtung 13 zugeführte elektrische Leistung ist so groß, daß die vom Ultraschallschwinger 6 erzeugte akustische Energie aus­ reicht, um einen Gallenstein in der Gallenblase um einige cm anzuheben. Je nach dem - durch den Auftrieb in der Gallenflüssigkeit wesentlich herabgesetzten - Gewicht des Gallensteines ist sie mehr oder weniger groß; sie beträgt bei einem Gewicht von 50 mg - was etwa einem Gallenstein von 1 cm³ entspricht - rund 200 Ws (für 5 cm Anhebung). Dadurch wird der Gallenstein bzw. die Gallen­ steintrümmer in der Gallenblase hochgewirbelt und ihr Absinken kann in der unmittelbar an das Hochwirbeln anschließenden Ultraschalluntersuchungsphase beobachtet und ausgewertet werden.

Die Öffnung des Rotationsellipsoids ist wesentlich größer als der Durchmesser des Ultraschallschwingers. Dieser schattet daher den Gallenstein nur unwesentlich gegenüber der von der Funkenstrecke 7 ausgehenden Stoßwelle ab - jedenfalls dann, wenn er sich nicht zu dicht beim zweiten Brennpunkt befindet. Um eine etwaige Abschattungen oder auch eine Beschädigung des Ultraschallschwingers durch die Stoßwelle ganz auszuschließen, kann es von Nutzen sein, den Ultraschallschwinger 6 mittels eines nicht näher dargestellten Antriebs vor der Zündung der Funkenstrecke 7 seitlich so weit zu verschieben, daß er die Öffnung des Rotationsellipsoids nicht mehr bedeckt.

Die vorstehende Anordnung verwendet eine Wanne, in der sich der Körper, eine Koppelflüssigkeit - Wasser - usw. befinden. Es ist aber auch möglich, die Koppelflüssigkeit in einen flexiblen Sack oder Schlauch aufzunehmen und die Funkenstrecke darüber an den Körper anzukoppeln. Der Ultraschallschwinger muß dann in dem Schlauch bzw. Sack sein.

Claims (5)

1. Verfahren zur Ultraschallkontrolle bei der Zer­ trümmerung von Steinen in Körpern von Lebewesen, wobei zur Ultraschallbeobachtung periodisch eine Ultraschallwandler­ anordnung in einer Sendephase elektrische Energie in akustische Energie und in einer Empfangsphase akustische Echosignale in elektrische Signale umsetzt, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Ultraschallbeobachtung die Ultraschallwandleranordnung (6) während eines im Vergleich zur Sendephase großen Zeitraums mit einer im Vergleich zur elektrischen Leistung während der Sendephase hohen elektrischen Leistung beaufschlagt wird.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Einrichtung (7) zur Erzeugung von Stoßwellen, die über ein Koppelmedium (2) auf den Körper (1) einwirkt, einer Einrichtung (5) zur Fokussie­ rung der Stoßwellen auf einen Punkt in dem Körper und mit einer Ultraschallwandleranordnung (6) zur Ultraschall­ beobachtung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umschaltvorrichtung (11, 13) vorgesehen ist, durch die die Ultraschallwandler­ anordnung in einer ersten Betriebsart mit einer großen elektrischen Leistung während eines relativ großen Zeitraums beaufschlagbar ist und in einer zweiten Betriebsart als Sende- und Empfangswandler eines Ultraschalluntersuchungsgerätes (14) betreibbar ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, wobei die Einrichtung zur Fokussierung der Stoßwellenenergie ein Rotationsellip­ soid (5) mit zwei Brennpunkten umfaßt, wobei die Stoßwelle in dem einen Brennpunkt erzeugt und auf den anderen Brennpunkt fokussiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwandler­ anordnung (6) auf der Verbindungslinie der beiden Brennpunkte angeordnet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Antrieb zur Verschiebung der Ultraschallwandleranordnung senkrecht zur Verbindungslinie der Brennpunkte.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwandler­ anordnung einen einzigen Ultraschallschwinger (6) umfaßt.